Summary
ويقدم هذا البروتوكول إعداد يو2س5 الأغشية الرقيقة التي تم الحصول عليها في عين المكان تحت الفراغ فائقة. وتتضمن العملية الأكسدة والحد من الأفلام2 ثالث أكسيد اليورانيوم مع الأكسجين الذري والهيدروجين الذري، على التوالي.
Abstract
يصف لنا طريقة لإنتاج يو2س5 الأفلام في الموقع باستخدام لابستاتيون، آلة وحدات وضعت في كارلسروه مركز البحوث المشتركة. لابستيشن، جزءا أساسيا من "خصائص الأكتينيدات" تحت "الظروف القاسية" مختبر (باميك)، يسمح إعداد الأفلام والدراسات للأسطح العينة باستخدام تقنيات التحليل السطحي مثل الأشعة السينية والبنفسجية فوتوميشن التحليل الطيفي (XPS وشكا، على التوالي). يتم إجراء جميع الدراسات في عين المكان، والأفلام، المنقولة بموجب فائقة الفراغ من إعدادها إلى دائرة تحليلات، ابدأ على اتصال مع الغلاف الجوي. في البداية، هو فيلم من ثالث أكسيد اليورانيوم2 أعده الترسيب بالرش التيار المباشر (DC) في إحباط الذهب (الاتحاد الأفريقي) ثم تتأكسد بالأكسجين الذري لإنتاج فيلم3 ثالث أكسيد اليورانيوم. هذا الأخير ثم ينخفض مع الهيدروجين الذري إلى يو2س5. وتجري تحاليل بعد كل خطوة تنطوي الأكسدة والحد من استخدام مطيافية إلكترون عالية الدقة لفحص حالة أكسدة اليورانيوم. في الواقع، مرات الأكسدة والحد ودرجة الحرارة المقابلة من الركازة أثناء هذه العملية يكون لها آثار وخيمة على حالة الأكسدة الناتجة من اليورانيوم. إيقاف الحد من ثالث أكسيد اليورانيوم3 يو2س5 مع U(V) واحد تحد كبير؛ أولاً، توجد نظم الأوكسجين اليورانيوم في العديد من المراحل المتوسطة. ثانيا، التفريق بين دول أكسدة اليورانيوم يعتمد أساسا على قمم الأقمار الصناعية، الذين ذروات كثافة ضعيفة. أيضا، المجربون أن يدركوا أن التحليل الطيفي بالأشعة السينية (XPS) تقنية مع حساسية الذري من 1% إلى 5%. وبالتالي، من المهم للحصول على صورة كاملة لحالة أكسدة اليورانيوم مع أطياف كاملة التي تم الحصول عليها في يو4fويا1s، والفرقة التكافؤ (VB). البرامج المستخدمة في لابستيشن تشمل برنامجا لنقل خطي طورتها شركة خارجية (انظر الجدول للمواد) والحصول على البيانات، وبرامج المصدر الرش، المتقدمة داخل المنظمة.
Introduction
أكسيد اليورانيوم هو المكون الرئيسي للنفايات النووية، ولها القابلية للذوبان في الماء مرتبط بحالة الأكسدة اليورانيوم، زيادة من U(IV) إلى U(VI). وهكذا، هو ثالث أكسيد اليورانيوم2 + x الأكسدة أثناء التخزين الجيولوجي هامة وحاسمة سلامة العدد1،2. وهذا يحفز الدراسات المتعلقة برد فعل آليات تنظم التفاعلات السطحية بين أكاسيد اليورانيوم والبيئة3،4،،من56. هذه المعرفة أمر ضروري لجميع جوانب معالجة النفايات من دورات الوقود النووي.
بينما رباعي واليورانيوم سداسي التكافؤ الراسخة والمشتركة كنظم الحالة الصلبة، وهذه ليست الحال بالنسبة لليورانيوم الخماسي، رغم استقراره في مجمعات اليورانيل والتواجد في المحلول. أكاسيد اليورانيوم، U(V) يعتبر من متوسط يتواجد، ويقال لا كدولة واحدة، بل كالتعايش مع الأنواع U(IV) و U(VI). ولهذا السبب، أفادت شيئا حول الخصائص الكيميائية والفيزيائية يو2س5. وهذا أيضا سبب سمة مشتركة من تجارب التآكل، التي يتعرض فيها عينات لبيئة أكالة. وهذا يخلق الانحدار حاد في أكسدة الدول بين المياه السطحية (المعرضين للتأكسد) والجزء الأكبر من العينة. التغيير يحدث داخل عمق التحليل. وهكذا، تراعي الدول أكسدة مختلفة في وقت واحد، ليس بسبب التكافؤ مختلطة، ولكن الحرفية من فعل غير مكتملة يؤدي إلى طبقة غير متجانسة. يمكن حل هاتين المشكلتين باستخدام الأغشية الرقيقة بدلاً من العينات المجمعة. يمكن إعدادها أعدادا كبيرة من نظم متنوعة مع مواد انطلاق قليلاً، وتجنب التدرج السطح الأكبر لأنه لا يوجد أي الجزء الأكبر.
يسمح الأسلوب الذي ذكرته هنا في الموقع إعداد طبقة رقيقة جداً (عشرات طبقات ذرية أودعت الركيزة خاملة) وتحليل سطحه دون اتصال مع الغلاف الجوي. هذا هو واحد من مزايا لابستيشن (الشكل 1)، ووحدات الجهاز تتألف من دوائر مختلفة قيد الفراغ فائقة الحيوية (اوهف)، التوصل إلى ضغوط من 10-9-10-11 [مبر]. الدوائر هي مكرسة لإعداد الأغشية الرقيقة، والمعالجة السطحية (الغاز أدسوربتيونس)، وتوصيف التقنيات سبيكتروسكوبيس السطحية [مثل الأشعة السينية النانومترية التحليل الطيفي (XPS)، البنفسجية النانومترية التحليل الطيفي (UPS)، منخفضة الطاقة الإلكترون الحيود التحليل الطيفي (LEED)]. شنت على عينة محددة أصحاب العينات ونقلها بين الدوائر المختلفة عن طريق دائرة نقل خطي باستخدام عربة نقل. ترتبط جميع الدوائر لهذه الدائرة المركزية عن طريق صمام حيث أنها يمكن أن تكون معزولة في أي لحظة (على سبيل المثال.، للغاز شغل أو خدمة). ويتحقق الاستجمام حامل/العينة عينة من دائرة نقل الخطي بقضيب نقل المركبة في كل دائرة. النظام الأساسي لابستيشن وقد تم تصنيعها من قبل شركة خارجية (انظر الجدول للمواد). تم إضافة ملحقات والتعديلات بعد ذلك تبعاً للاحتياجات التجريبية، أدى إلى معدات فريدة من نوعها في كارلسروه مركز البحوث المشتركة. تتضمن ملحقات الرش المصدر (عنصر أساسي لإعداد رقيقة)، الذي تم تطويره داخليا جنبا إلى جنب مع برامج اكتساب الرش والبيانات. يتم تحميل نموذج حامل/العينة من جو المحيطة إلى فراغ فائقة عبر دائرة تأمين حمولة المصممة خصيصا لتنفيذ متعددة عينة المناولة والتقليل من الوقت للتوصل إلى الضغط النهائي ل حوالي 10-8-10 -9 [مبر]، مما يحد من تلوث الهواء من النظام. لابستيشن هو نتيجة سنوات من الخبرة والدراية في مجال العلوم السطحية في كارلسروه مركز البحوث المشتركة.
لتمرير من غرفة واحدة إلى آخر، يتم تحميل العينة على عربة نقل مدفوعا مغناطيس خارجي، الخاضعة لبرنامج كمبيوتر (الشكل 2)، وتتحرك على طول الدائرة خطي نقل حوالي 7 م إلى مواضع محددة مسبقاً أمام الدوائر.
دون منشأة مماثلة أو قريبة، قد يكون من الصعب إعادة إنتاج التجربة. ومع ذلك، يساهم هذا التثبيت المختبر باميك أن يسهم البرنامج الوصول المفتوح في مركز البحوث المشتركة، التي المستخدمين الخارجيين مدعوة إلى تقديم استعراض المقترحات بفريق خبراء العلميين الدولي. التقييم ثم يسمح للمستخدمين بالوصول إلى البنية التحتية التي تشغلها في اللجنة. بعد الطلبات، وفي إطار هذا التعاون، يمكن تحضير الأغشية الرقيقة للمستخدمين الخارجيين للتحليلات والتجارب التي يؤديها خارج اللجنة كارلسروه.
وفي هذا التقرير، نقدم بروتوكول مفصل لنمو أحادية التكافؤ يو2س5 الأغشية الرقيقة، التي تم الحصول عليها من الخطوات المتتابعة التي تنطوي على الأكسدة والحد من ثالث أكسيد اليورانيوم2 مع الأكسجين الذري والهيدروجين الذري، على التوالي. وخلافا لثالث أكسيد اليورانيوم2 وثالث أكسيد اليورانيوم2 + x، لا يمكن أن يتم ترسب مباشرة يو2س5 وثالث أكسيد اليورانيوم3 أفلام بالعاصمة اﻷخرق. ولذلك، نحن أولاً المضي قدما لترسب الفيلم2 ثالث أكسيد اليورانيوم، أكسدة أنه في ثالث أكسيد اليورانيوم3 استخدام الأكسجين الذري، ثم تخفيضه مرة أخرى إلى يو2س5 مع الهيدروجين الذري. مرات الأكسدة والحد ودرجة حرارة العينة أثناء العملية لها آثار على النتيجة وهي مهمة للماجستير. تم التحقق من التكوين الصحيح مع عالية الاستبانة الأشعة السينية النانومترية التحليل الطيفي، الذي يوفر أدلة مباشرة والكمية لليورانيوم 5و1 التكوين الإلكتروني، كما هو متوقع U(V).
Protocol
1-نموذج إعداد حامل
ملاحظة: ينبغي إجراء التعامل مع صاحب العينة خارج لابستيشن تحت جو المحيطة مع القفازات وملاقط نظيفة.
-
إعداد حامل عينة و تحويله الموقع التنظيف
- تنظيف إحباط ذهب (الاتحاد الأفريقي) (0.025 ملم سمك، 99.99 ٪، انظر الجدول للمواد) بحجم 8 × 8 ملم مع الأسيتون. على وجه التحديد مكان إحباط على الفولاذ المقاوم للصدأ أو حامل الموليبدينوم مصممة لابستيشن وإصلاح إحباط على الحامل بأسلاك لحام البقعة التنتالوم.
- تنظيف حامل عينة وإحباط مرة أخرى مع الأسيتون وأتركها تجف تحت الغلاف الجوي المحيط قبل مقدمة لابستيشن.
ملاحظة: يتم عرض صور لصاحب العينة مع إحباط الذهب في الإطار الداخلي الشكل 1.
-
مقدمة صاحب العينة لابستيشن
- إغلاق صمام اوهف بين تحميل قفل الدائرة والدائرة كراج (C1/C2). أونتيغتين المسمار، تحديد باب C1، وفتح صمام النيتروجين للضغط إلى الضغط الجوي، مما فتح الباب.
- أعرض صاحب العينة C1. إغلاق باب C1 وفتح الصمام للفراغ الأولية.
- إغلاق الصمام للمضخة الأولية بمجرد الفراغ الرئيسي الذي يصل ضغطه من حوالي 1 [مبر]. افتح الصمام المرتبط بالمضخة توربوموليكولار اوهف فورا بعد ذلك. انتظر حتى يصل الضغط إلى 10-7 [مبر].
ملاحظة: يمكن أن تتخذ هذه الخطوة الأخيرة الحد أدنى من 1 إلى 3 ح، اعتماداً على نموذج الغازي.
-
نقل إلى الدائرة إعداد (B1)
- تتحرك عربة النقل من دائرة نقل إلى الدائرة المتوسطة وإغلاق الصمام بين C2 و C3. فتح صمام الواقعة بين C1 و C2. استخدم قضيب نقل من C1 إلى نقل صاحب العينة إلى C2.
ملاحظة: C2 دائرة وسيطة بين C1 وخطي نقل الدائرة المشتركة بين جميع الدوائر لابستيشن. أنه يفصل الدائرة قفل التحميل، التي لديها فراغ فقراء (10-7 [مبر]) من بقية النظام (حوالي 10-9 [مبر]). يمكن أن يتم نقل عينة سريعاً في فراغ فقيرة نسبيا في قفل التحميل مع الحفاظ لابستيشن نظيفة. - بعد أن يجلس صاحب العينة على العربة في الخلية C2، يعود على قضيب نقل إلى C1 وإغلاق الصمام بين C1 و C2. فتح الصمام بين C2 ودائرة نقل خطي C3.
- ضع العربة في قاعة نقل الخطي وتوصيله بالمغناطيس الدافعة قبل إغلاق الصمام بين C2 و C3.
- استخدام برنامج "مراقبة نقل الخطي" (LTC، الشكل 2) لنقل العربة إلى موقف الدائرة إعداد B1.
- فتح الصمام بين دائرة نقل الخطي وقاعة إعداد B1. استخدم قضيب نقل لوضع العينة في قاعة إعداد B1. بمجرد قضيب نقل مرة أخرى إلى موقفه المبدئي، إغلاق صمام بين خطي نقل الدائرة وإعداد قاعة B1.
- تتحرك عربة النقل من دائرة نقل إلى الدائرة المتوسطة وإغلاق الصمام بين C2 و C3. فتح صمام الواقعة بين C1 و C2. استخدم قضيب نقل من C1 إلى نقل صاحب العينة إلى C2.
-
التنظيف في الموقع لصاحب العينة
- فتح صمام الأرجون للوصول إلى ضغط من 5 × 10-5 [مبر].
- ضع السطح حامل عينة في عمودي لمواجهة البندقية أيون (IG10/35، انظر الجدول للمواد).
- التبديل على المسدس أيون لبدء ع أيون اﻷخرق (2 كيلو إلكترون فولط، 10 mA الانبعاثات الحالية) والاحتفاظ بالتنظيف لأدنى 10 التبديل قبالة البندقية أيون.
- إحضار الحرارية على اتصال مع صاحب العينة، ثم التبديل على سخان الشعاع الإلكتروني يصلب العينة في 773 ك لمدة 5 دقائق. بعد حدوث ارتفاع أولية (في النطاق [مبر] 10-7 )، يرتد الضغط إلى حوالي 10-8 [مبر]، مما يشير إلى استكمال الغازي. إيقاف تشغيل سخان الشعاع الإلكتروني والسماح لتبرد عينة وصولاً إلى درجة حرارة الغرفة (RT).
- فتح صمام بين الدائرة إعداد B1 ودائرة نقل الخطي، ثم موقف صاحب العينة على عربة استخدام قضيب نقل. إغلاق صمام الدائرة B1.
-
توصيف عينة حامل
ملاحظة: أجريت قياسات مطيافية (XPS) النانومترية عالية الاستبانة الأشعة السينية باستخدام جهاز تحليل الكرة (انظر الجدول للمواد). مصدر التركيز الجزئي (انظر الجدول للمواد) مجهزة مونوتشروماتور وتعمل في 120 ث كانت تستخدم لإنتاج إشعاع من Al Kα (E = 1,486.6 eV). معايرة المطياف تم القيام به باستخدام السطر7/2 4fمن معدن الاتحاد الأفريقي، تنتج قيمة الطاقة ملزمة eV 83.9(1) (BE)، والبند3/2 ف 2من معدن النحاس في 932.7(1) يكون eV.- نقل العربة بالتحكم عن بعد باستخدام برنامج LTC إلى موقف الدائرة تحليل A4.
ملاحظة: الضغط الخلفية في دائرة التحليل 2 × 10−10 [مبر]. - فتح صمام الدائرة تحليلات A4 واستخدم قضيب نقل إلى أخذ العينة من دائرة نقل الخطي إلى التحليلات الدائرة A4. إغلاق صمام الدائرة تحليل A4.
- نقل العينة إلى موضع التحليل باستخدام برنامج اقتناء (الشكل 3).
- التبديل على مياه التبريد ومصدر الأشعة السينية جهاز المطياف الضوئي (الجهد اﻷنود = 15 كيلو إلكترون فولط، الانبعاثات الحالية = 120 mA).
- البدء في الحصول على البيانات باستخدام برنامج اقتناء (الشكل 3).
ملاحظة: يمكن إجراء التحسين الموقف عينة مع برنامج اكتساب الحصول على شدة الإشارة القصوى.
ملاحظة: أخذت الأطياف فوتوميشن من سطح العينة أبقى في الرايت - بدء قياس الطيف نظرة عامة استخدام المعلمات التالية: كهini = 100 eV، كهزعنفة = ف. 1,500، المسح الضوئي وقت = 300 s, N ° نقاط = 1,401، تمرير الطاقة = 50 eV، شق = 7 × 20 مم القطر، ووضع = 1.5 وضع منطقة كيلوفولط/المتوسطة.
ملاحظة: نظراً لغياب الذروة1s ج في حوالي 284.5 eV يكون يشير إلى أن السطح نظيف. - بدء الحصول على الاتحاد الأفريقي4f الأساسية مستوى الطيف مع المعلمات التالية: كهini = ف. 1,396.6، كهزعنفة = ف. 1,406.6، المسح الضوئي الوقت = 60 s، وعدد من النقاط = 201، تمرير الطاقة = 30 eV، شق = 6 مم القطر، ووضع = 1.5 وضع منطقة كيلوفولط/متوسطة .
ملاحظة: سيتم مقارنة هذا القياس الأخير إلى الطيف بعد ترسب الفيلم2 ثالث أكسيد اليورانيوم في إحباط الذهب لتقييم سمك المقابلة للفيلم. - بمجرد قد تم تحليلها على السطح لصاحب العينة (إحباط الاتحاد الأفريقي)، فتح صمام الدائرة تحليل A4 بموقف صاحب العينة على العربة في قاعة نقل الخطي باستخدام قضيب نقل.
- نقل العربة بالتحكم عن بعد باستخدام برنامج LTC إلى موقف الدائرة تحليل A4.
2. إعداد رقيقة
ملاحظة: تعد الأغشية الرقيقة أكسيد اليورانيوم في الموقع قبل اﻷخرق التيار المباشر (DC) استخدام يورانيوم معدن المستهدف والغاز خليط من ع (6 N) والضغط الجزئي2 (4.5 ن) س.
- ترسب فيلم2 ثالث أكسيد اليورانيوم
- نقل عربة تحمل صاحب العينة إلى موقف الدائرة إعداد B2 بالتحكم عن بعد باستخدام برنامج LTC.
- فتح صمام الدائرة إعداد B2، ومع قضيب نقل، موقف صاحب العينة تحت المصدر الرش، يقع في وسط B2.
ملاحظة: قبل عملية اﻷخرق، تأكد من أن يتم إغلاق مصراع مصدر الرش. - إغلاق صمام لعزل الدائرة B2 من دائرة نقل الخطي. ثم افتح صمام2 س وضبط الضغط الجزئي الأوكسجين إلى 2.5 × 10−5 [مبر]. فتح غاز الأرجون صمام للوصول إلى ضغط الجزئي من 5 × 10−3 [مبر].
- استخدم البرنامج اﻷخرق (الشكل 4) لإدخال المعلمات التالية: وقت الترسيب = 300 ثانية، اليورانيوم الهدف الجهد =-700 الخامس، اليورانيوم الهدف الحالي = 2 ماجستير، خيوط تدفئة = 3.3 V/3.9 A، خيوط العمل الجهد = 40 الخامس.
ملاحظة: انتظر لحوالي 120 ثانية من اﻷخرق مع مصراع المغلقة المصدر الرش. - بدء تشغيل جهاز ضبط الوقت فورا بعد فتح مصراع مصدر الرش للسماح لترسب ثالث أكسيد اليورانيوم2 على إحباط الاتحاد الأفريقي.
ملاحظة: للعمل في الضغط ع المنخفض دون تحقيق الاستقرار في الحقول المغناطيسية، تم تمكين حقن الطاقة eV 25-50 (صمام ثلاثي الإعداد) للحفاظ على البلازما في صمام ثنائي. - وقف اﻷخرق بعد 300 s، المناظرة باستخدام البرنامج، وإغلاق صمامات الغاز2 ع وس.
ملاحظة: سوف تختفي الضوء الأزرق للبلازما وكافة المعلمات اﻷخرق ستنخفض إلى الصفر.
ملاحظة: انتظر حتى يصل الضغط الدائرة إعداد B2 إلى 10-8 [مبر]. - إحضار العينة في إعداد القاعة B1، والصلب السلس للعينة والتبديل على سخان الشعاع الإلكتروني وضبط درجة حرارة إلى 573 ك.
ملاحظة: انتظر لمدة 3 إلى 5 دقائق قبل إيقاف التدفئة.
- توصيف عينة2 ثالث أكسيد اليورانيوم
ملاحظة: لتوصيف العينة من XPS، ينبغي اتباع نفس الإجراء الموضح لتوصيف صاحب العينة.- فتح صمام بين الدائرة إعداد B1 ودائرة نقل الخطي لنقل العينة إلى عربة استخدام قضيب نقل. تعيين قضيب نقل مرة أخرى إلى الدائرة إعداد B1، ثم إغلاق صمام لعزلها عن دائرة نقل الخطي.
- اتبع نفس الإجراء هو موضح في الخطوات 1.5.1 ل 1.5.6.
ملاحظة: تمكن الطيف نظرة عامة على مراقبة جودة الفيلم2 ثالث أكسيد اليورانيوم باستثناء قمم شوائب إضافية (ج1s، التلوث عبر من السكن مصدر الرش) والسيطرة U:O (تقريبا) نسبة الفيلم. - البدء في الحصول على مستوى الاتحاد الأفريقي4f الأساسية (معلمات مماثلة كما هو الحال في الخطوة 1.5.7).
- المضي قدما للحصول على يو4fويا1sوالتكافؤ الفرقة (VB) استخدام الطاقة: تمرير المعلمات التالية = 30 eV، شق = 7 × 20 مم القطر، وضع = 1.5 كيلو إلكترون فولط، منطقة المتوسط.
يو4f: كهini = 1,066.6 eV كهزعنفة = 1,126.6 eV المسح الضوئي الوقت = 300 s N ° نقاط = 601
O1s: كهini = 946.6 eV كهزعنفة = 966.6 eV المسح الضوئي الوقت = 300 s N ° نقاط = 201
Vb: كهini = 1,473.6 eV كهزعنفة = وقت المسح 1,488.6 eV = 1,800 s N ° نقاط = 601
ملاحظة: ترد الأطياف التي تم الحصول عليها للفيلم2 ثالث أكسيد اليورانيوم في الشكل 5.
- الأكسدة بالأكسجين الذري2 وثالث أكسيد اليورانيوم
ملاحظة: التمويه ذرة (انظر الجدول للمواد) المحدد إلى > 1016 ذرة/سم2/ق، المقابلة لتعرض ما يصل إلى 20 s لانجمويرس تقريبا 10 (أي.، 1.33 × 10−3 Pa•s).- نقل عربة تحمل العينة إلى الدائرة إعداد B3. فتح صمام الدائرة إعداد B3، ومع قضيب نقل، موقف العينة داخل B3 أمام مصدر الذرة. إغلاق صمام لعزل الدائرة من دائرة نقل الخطي.
- ضبط درجة حرارة العينة إلى 573 ك. الانتظار 5 دقائق للسماح للعينة للوصول إلى درجة الحرارة حامل.
- فتح صمام الأوكسجين والضغط الجزئي إلى 1.2 × 10-5 [مبر] س2. قم بالتبديل في مياه التبريد لمصدر الذرة.
- التبديل على مصدر الذرية وتعيين الحالي إلى 20 mA. انتبه إلى الوقت الدقيق لأكسدة العينة مع مصدر الذري. إذا كان الوقت أكسدة قصيرة جداً، يمكن أن تكون الأكسدة إلى ثالث أكسيد اليورانيوم3 غير كاملة كما ورد في الشكل 6.
- الانتظار 20 دقيقة لتحقيق أكسدة كاملة من ثالث أكسيد اليورانيوم2 إلى3 من ثالث أكسيد اليورانيوم وإيقاف مصدر الذرية قبل إغلاق صمام الأوكسجين. بمجرد الضغط الدائرة إعداد B3 10-7 [مبر]، فتح صمام لنقل العينة إلى عربة حاضرة في قاعة نقل الخطي. ثم، قم بإغلاق صمام الدائرة إعداد B3.
- تحليل ثالث أكسيد اليورانيوم3 التي تم الحصول عليها بعد أكسدة ثالث أكسيد اليورانيوم2 مع الأكسجين الذري
- نقل العينة إلى قاعة تحليلات اتباع الخطوات 1.5.1 ل 1.5.6؛ ثم، لهذه التحليلات، اتبع نفس الإجراء كما هو موضح في الخطوة 2.2.4.
ملاحظة: ترد الأطياف المقابلة من ثالث أكسيد اليورانيوم3 في الشكل 7.
- نقل العينة إلى قاعة تحليلات اتباع الخطوات 1.5.1 ل 1.5.6؛ ثم، لهذه التحليلات، اتبع نفس الإجراء كما هو موضح في الخطوة 2.2.4.
- الحد من ثالث أكسيد اليورانيوم3 بالهيدروجين الذري
- نقل العينة إلى قاعة إعداد B3، اتبع الخطوات 2.3.1 و 2.3.2.
- فتح صمام هيدروجين ومجموعة الضغط الجزئي إلى 3 × 10-5 [مبر]. قم بالتبديل في مياه التبريد لمصدر الذرة. التبديل على مصدر الذرية وتعيين الحالي إلى 30 mA.
- انتظر 60 s للحد من الوقت قبل إطفاء المصدر الذري. انتبه إلى الوقت الدقيق المتخذة للحد من العينة مع مصدر الذري. إذا كان الحد من وقت طويل جداً، ثم ثالث أكسيد اليورانيوم2 + x كذلك ينخفض إلى ثالث أكسيد اليورانيوم2 كما ورد في الشكل 8. في حالة حدوث ذلك، العينة يجب أن تتأكسد مرة أخرى مع الأكسجين الذري (كما فعلنا للحصول على ثالث أكسيد اليورانيوم3)، أطياف المقابلة التي ترد في الشكل 9.
- تحليل يو2س5 التي تم الحصول عليها بعد التخفيض من ثالث أكسيد اليورانيوم3 مع الهيدروجين الذري
- نقل العينة إلى دائرة التحليل اتباع الخطوات 1.5.1 ل 1.5.6؛ ثم، لهذه التحليلات، اتبع نفس الإجراء كما هو موضح في الخطوة 2.2.4.
ملاحظة: ترد الأطياف المتحصل عليها يو4fويا1s، والخامس باء في الشكل 10. على سبيل مثال خفض غير مكتملة إلى يو2س5، يتم الحصول على الأطياف مشابهة كما هو موضح في الشكل 6 .
- نقل العينة إلى دائرة التحليل اتباع الخطوات 1.5.1 ل 1.5.6؛ ثم، لهذه التحليلات، اتبع نفس الإجراء كما هو موضح في الخطوة 2.2.4.
Representative Results
يمكن أن يتم تحديد U(V) بسهولة الطاقة مميزة الساتل التغيير المصاحبة ليبنوا4f مميزة يو. ربط الطاقة التي تظهر على الأقمار الصناعية، المرتبطة بعمليات فقدان الطاقة الذاتية، يعتمد على حالة أكسدة اليورانيوم.
وتسجل اليورانيوم 4و مستوى أطياف الأشعة السينية الأساسية فوتوميشن ل U(IV) في ثالث أكسيد اليورانيوم2 (المنحنى الأحمر)، U(V) في يو2س5 (المنحنى الأخضر)، و U(VI) في ثالث أكسيد اليورانيوم3 (منحنى الوردي)، ثم مقارنة U(0) في معدن اليورانيوم (المنحنى الأسود) في اليسار جزء من الرقم 11. المقابلة يا1s الأساسية الأطياف مستوى مطابق وذكرت في الجزء الأيمن من الشكل 11.
في الجزء مركز الشكل11، تم نقل7/2 الأساسية يو4fمستوى قمم إلى سوبيربوسي الخطوط الرئيسية (النصف العلوي)، مما يسمح التصور لفصل الطاقة (ΔE) بين السواتل والخط الرئيسي (النصف السفلي). ومع تزايد حالة الأكسدة، يزيد فصل الطاقة، بينما يقلل كثافة الأقمار الصناعية. وتم الحصول على الأطياف في طبقات رقيقة من مونولاييرس حوالي 20 في السمك. ذروة الطاقة الساتلية والسطر 4و5/2 الانبعاثات (4و7/2) استخدمت كبصمات الأصابع للدولة أكسدة ذرات اليورانيوم. أطياف الفرقة التكافؤ ثالث أكسيد اليورانيوم2، يو2س5وثالث أكسيد اليورانيوم3 الحصول على أفلام نفس ترد في الشكل 12.
هي المطابقة الأطياف الموصوفة في البروتوكول إلى ثالث أكسيد اليورانيوم2 الأفلام (الشكل 5) التي تم الحصول عليها بعد ترسب في قاعة إعداد B2. هذا الفيلم هو تتأكسد ثم مع الأكسجين الذري. اعتماداً على الوقت الأكسدة، يمكن أن تكون النتيجة ثالث أكسيد اليورانيوم2 + x (كما ورد في الشكل 6) أو ثالث أكسيد اليورانيوم3 (كما ورد في الشكل 7). أيضا، إذا كان الحد الذري مع الهيدروجين في ثالث أكسيد اليورانيوم3 طويل جداً، فإنه سيعود إلى ثالث أكسيد اليورانيوم2 كما ورد في الشكل 8. وفي هذه الحالة، ينبغي أن ريوكسيديشن إلى ثالث أكسيد اليورانيوم3 كما ورد في الشكل 9 تجري قبل تخفيضه مرة أخرى مع وقت مناسب للحصول على يو2س5، كما هو معروض في الشكل 10. وتبين النتائج أن عمليات الأكسدة والحد منها عكسها تماما.
الشكل 1 : وضع صورة فوتوغرافية والتخطيطي لالة لابستيشن في كارلسروه مركز البحوث المشتركة لتمكين في الموقع دراسات العلوم السطحية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 2 : لقطة شاشة لبرنامج مراقبة نقل الخطي. يتيح البرنامج نقل عربة تحمل العينات (ط إلى الخامس) على طول خطي نقل الدائرة في مواقع مختلفة من الدائرة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3 : لقطة شاشة لبرنامج اكتساب. متى يتم عرض شروط القياس، يمكن إجراء مجموعة من القياسات تلقائياً بعد تبديل على مولد الأشعة السينية. ويتيح إطار الموقف عينة موضع بالعينة في قاعة التحليلات. يمكن أن يتم التعديل على طول x، y، و z لتحسين كثافة الإشارة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 4 : لقطة شاشة لبرنامج مراقبة الرش. ويمكن تحديد شروط اﻷخرق مع هذا البرنامج تطويره داخليا. من بين المتغيرات التي يتم تعريفها هي تدفئة والفولتية العامل من الشعيرة والفولتية ليصل إلى هدفين. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 5 : U4fويا1s، والتكافؤ الفرقة الأطياف بعد ترسب الفيلم2 ثالث أكسيد اليورانيوم، ويقاس بالأشعة السينية عالية الدقة فوتوميشن الطيفي. مواقف الذروة والأقمار الصناعية سمة عينة2 ثالث أكسيد اليورانيوم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الرقم 6 : U4fويا1s، والتكافؤ الفرقة الأطياف بعد أكسدة ثالث أكسيد اليورانيوم2 مع الأكسجين الذري، يقاس بالأشعة السينية عالية الدقة فوتوميسيون الطيفي. الوقت الأكسدة قصيرة جداً، وهكذا تكتمل الأكسدة إلى ثالث أكسيد اليورانيوم3 . مواقع الأقمار الصناعية والذروة سمة ثالث أكسيد اليورانيوم2 + x وليس ثالث أكسيد اليورانيوم3 ذكرت في الشكل 7. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 7 : يو4fويا1s، والتكافؤ الفرقة الأطياف تقاس بعد أكسدة الفيلم2 ثالث أكسيد اليورانيوم مع الأكسجين الذري باستخدام الأشعة السينية عالية الدقة فوتوميشن الطيفي. مواقف الذروة والأقمار الصناعية سمة عينة3 ثالث أكسيد اليورانيوم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 8 : ش4fويا1s، والتكافؤ الفرقة الأطياف تقاس بعد التخفيض من ثالث أكسيد اليورانيوم3 مع الهيدروجين الذري. تخفيض وقت طويل جداً، وهكذا أيضا في تخفيض2س ش5 إلى ثالث أكسيد اليورانيوم2. مواقع الأقمار الصناعية والذروة سمة من ثالث أكسيد اليورانيوم2 ولا يو2س5 العينة أفادت في الشكل 10. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الرقم 9 : يو4f، حصلت الفرقة يا1s، والتكافؤ للعينة في الشكل 8 وإعادة تتأكسد مع الأكسجين الذري إلى ثالث أكسيد اليورانيوم3- مواقع الأقمار الصناعية والذروة سمة عينة3 ثالث أكسيد اليورانيوم. وهكذا عكوس عمليات التخفيض والأكسدة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الرقم 10 : ش4fويا1s، والتكافؤ الفرقة الأطياف بعد تخفيض فيلم3 ثالث أكسيد اليورانيوم مع الهيدروجين الذري، يقاس بالأشعة السينية عالية الدقة فوتوميشن الطيفي. مواقف الذروة والأقمار الصناعية سمة عينة5 2س ش. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الرقم 11 : ش4f ويا1s الأساسية مستوى الأشعة السينية فوتوميشن أطياف U(IV) في ثالث أكسيد اليورانيوم2 (المنحنى الأحمر)، U(V) في يو2س5 (المنحنى الأخضر)، و U(VI) في ثالث أكسيد اليورانيوم3 (منحنى الوردي)، ثم مقارنة U(0) في معدن اليورانيوم (المنحنى الأسود)- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الرقم 12 : التكافؤ أطياف الفرقة من U(IV) في ثالث أكسيد اليورانيوم2 (المنحنى الأحمر)، U(V) في يو2س5 (المنحنى الأسود)، و U(VI) في ثالث أكسيد اليورانيوم3 (منحنى الوردي)- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Discussion
النتائج الأولية التي تم الحصول عليها على أفلام رقيقة من يو2س5 من حوالي 30 مونولاييرس (ML) في سمك، جنبا إلى جنب مع المقابلة الأساسية مستوى التحليل الطيفي الحصول عليها مع التحليل الطيفي فوتوميسيون الأشعة السينية ذات الدقة العالية، وقد أبلغ في المنشور السابق7. وذكر تطور حالة اليورانيوم خلال عملية الأكسدة ثالث أكسيد اليورانيوم2 إلى3 من ثالث أكسيد اليورانيوم عن طريق الأشعة السينية النانومترية الأطياف التي تم الحصول عليها في طبقات رقيقة من طبقات اثنين إلى 50 في سمك في طائفة واسعة من نسبة O:U (الشكل 11، الرقم 12). الحصول على الفيلم الأكسدة والحد من الفيلم بتعريض أفلام الذري الأكسجين والهيدروجين الذري، على التوالي. يمكن التأكد من تجانس الأفلام مع الدول أكسدة اليورانيوم من الرابع إلى السادس بسبب سمكها صغير ودرجات الحرارة رد فعل. وتودع الأغشية الرقيقة من أكاسيد اليورانيوم على ركيزة باستخدام التيار المباشر اﻷخرق مع مصدر الرش نمواً في كارلسروه مركز البحوث المشتركة. يتم تثبيت المصدر الرش في دائرة أبقى تحت الفراغ فائقة، مثل جميع دوائر لابستيشن. وفي حين يمكن الحصول على ثالث أكسيد اليورانيوم2 مباشرة، ثالث أكسيد اليورانيوم3 يو2س5 أفلام فقط الحصول على وبعد مزيد من العلاج بالأكسجين الذري والهيدروجين الذري. الطاقة ملزمة من القمم الرئيسية ومواقفها سواتل السماح للتمايز بين الدول أكسدة اليورانيوم في أفلام أكسيد اليورانيوم تنتج في الموقع. التحليل الطيفي عالية الدقة ضروري للتفرقة بين الدول المختلفة الأكسدة، طاقات ملزمة الأقمار الصناعية هي قريبة وكثافات منخفضة.
وفي عام 1948، حددت اليورانيوم الخماسي نقية، يو2س5، ل المرة الأولى8. في وقت لاحق، وصف ملخص استناداً إلى ارتفاع درجة الحرارة (673-1,073 K) والضغط العالي (30-60 كبار) من خليط من ثالث أكسيد اليورانيوم2 ويو3س89. ومع ذلك، وجود واستقرار يو2س5 في ظروف درجة الحرارة والضغط المحيطة تم استجواب، مما يوحي بحد أدنى من x = 0.56-0.6 في المنطقة الوحيدة أدناه يو3س810 . وحتى الآن، إعداد يو2س5 في ارتفاع الضغط ودرجة الحرارة أو أثناء عملية الحد من حرارية ليس استنساخه؛ في كثير من الأحيان، لم يكن من الممكن لتعيين حالة تأكسد واحدة للعينات التي تم الحصول عليها. بعض إعداد عينة يو2س5 الجملة ظهرت كخليط من ثالث أكسيد اليورانيوم2 أو3 من ثالث أكسيد اليورانيوم مع التعايش U(V) مع U(IV) أو U(VI)، أما ش4س9 ويو3س8. على سبيل المثال، أفادت تيتيرين et al.11 عملية النض يو3س8 في حامض الكبريتيك تليها المعالجة الحرارية في جو من هليوم، مدعيا أن يو2س5تتعلق بالنتائج. يمكن أن تستبعد هذا الاستنتاج بسهولة بسبب بنية اثنين-الذروة الناتجة في تلك الأطياف XPS. يمكن أن يفسر خليط أنواع U(V) و U(VI) نتيجة لذلك، باستثناء تشكيل دولة أكسدة U(V) واحدة من المتوقع ليو2س5.
لدينا طريقة لإعداد يسمح إعداد أفلام رقيقة من أكسيد اليورانيوم مع الدول أكسدة واحد من U(IV) و U(VI) و U(V). العملية برمتها لإعداد نموذج يأخذ مكان في الموقع داخل أداة الحفاظ على فراغ فائقة. ووجد أن الحد من ثالث أكسيد اليورانيوم3 بالهيدروجين الذري لا تمضي إلى ثالث أكسيد اليورانيوم2 لكن يمكن وقفها في U(V). عامل الوقت مهم جداً فضلا عن درجة حرارة العينة أثناء عملية التخفيض. مع مطياف فوتوميسيون عالية الدقة، اتضح أن عينة نقية من يو2س5 يمكن إعدادها في الموقع. وينبغي إعداد أفلام أكثر سمكا خطوة تالية في النظر في بنية بلورية وخصائص السائبة حكم الموقع تقنيات.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
المؤلفين قد لا شكر وتقدير.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1ary dry scroll vacuum pump | Agilent | SH-100 | All chambers except B1 |
| 1ary pump | EDWARDS | nXDS10i 100/240V | B1 chamber |
| Acetone | |||
| Acquisition programme | Developed in-house | ||
| Analyser | Specs | Phoibos 150 hemispherical | A4 chamber |
| Argon | BASI | 6N | |
| Atomic source | GenII plasma source | Tectra | B3 chamber |
| Au foil | Goodfellow | ||
| CasaXPS programme | CasaXPS | ||
| Gauge 1ary vacuum | PFEIFFER | TPR 280 (2011/10) | All chambers |
| Gauge 2ary vacuum | VACOM | ATMION ATS40C | All chambers |
| Hydrogen gas | BASI | 6N | |
| Ion gun source | Specs | IG10/35 | B1 chamber |
| Linear transfer programme | Specs | Program delivered with the station | |
| Origin programme | Origin | OriginPro 8.1SRO | |
| Oxygen gas | 6N | ||
| Sampler e-beam heater power supply | Specs | SH100 | B1 chamber |
| Sampler resistance heater | Made in-house | power supply + Eurotherm | B3 chamber |
| Sputtering programme | Developed in-house | ||
| Stainless steal or Molybdenum substrate | in house | ||
| Ta wire | Goodfellow | ||
| turbo pump | PFEIFFER | TC 400 | All chambers |
| Uranium target | in house | in house | Natural uranium target |
| Vacuum gauge controller | VACOM | MVC-3 | All chambers |
| X-ray source | Specs | XRC-1000 MF | Equipped with a monochromator |
References
- Shoesmith, D. W., Sunder, S., Hocking, W. H. Electrochemistry of UO2 nuclear fuel. Electrochemistry of Novel Materials. Lipkowski, J., Ross, P. N. , New York, N.Y. (1994).
- Shoesmith, D. W. Fuel corrosion processes under waste disposal conditions. Journal of Nuclear Matter. 282, 1-31 (2000).
- Gouder, T., Shick, A. B., Huber, F. Surface interaction of PuO2, UO2+x and UO3 with water ice. Topics in Catalysis. 56, 1112-1120 (2013).
- Cohen, C., et al. Water chemisorption on a sputter deposited uranium dioxide film - Effect of defects. Solid State Ionics. 263, 39-45 (2014).
- Seibert, A., et al. The use of the electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) in corrosion studies of UO2 thin film models. Journal of Nuclear Matter. 419, 112-121 (2011).
- Majumder, I., et al. Syntheses of U3O8 nanoparticles form four different uranyl complexes: Their catalytic performance for various alcohol oxidations. Inorganic Chimica Acta. 462, 112-122 (2017).
- Gouder, T., et al. Direct observation of pure pentavalent uranium in U2O5 thin films by high-resolution photoemission spectroscopy. Scientific Reports. 8, 1-7 (2018).
- Rundle, R. E., Baeziger, N. C., Wilson, A. S., MacDonald, R. A. The structures of the carbides, nitrides and oxides of uranium. Journal of the American Chemical Society. 70, 99 (1948).
- Hoekstra, H. R., Siegel, S., Gallagher, F. X. The uranium-oxygen system at high pressure. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. 32, 3237 (1970).
- Kovba, L. M., Komarevtseva, N. I., Kuz'mitcheva, E. U. On the crystal structures of U13O34 and delta-U2O5. Radiokhimiya. 21, 754 (1979).
- Teterin, Y. A., et al. A study of synthetic and natural uranium oxides by X-ray photoelectron spectroscopy. Physics and Chemistry of Minerals. 7, 151-158 (1981).
